Les trous noirs au centre de la Voie lactée (la galaxie natale de la Terre) et d’Andromède (l’un de nos plus proches voisins galactiques) sont parmi les dévoreurs les plus silencieux de l’Univers. Le peu de lumière qu’ils émettent varie implicitement en termes de luminosité, ce qui suggère qu’ils consomment un flux de matière faible mais constant plutôt que de gros amas. Les flux s’approchent du trou noir progressivement et en spirale, tout comme l’eau tourbillonne dans un drain.
Il y a un nouveau grand trou noir dans la Voie lactée, et il se cache près de la Terre. Ce géant endormi a été découvert par le télescope spatial européen Gaia, qui suit les mouvements de milliards d’étoiles dans notre galaxie. Le trou noir de masse stellaire, désigné Gaia-BH3, est 33 fois plus massif que notre Soleil. Le précédent trou noir le plus massif de cette classe découvert dans la Voie lactée était un trou noir dans un système binaire à rayons X dans la constellation du Cygne (Cyg X-1), dont on estime qu’il a une masse d’environ 20 fois celle de le soleil. Le trou noir moyen de masse stellaire dans la Voie lactée est environ 10 fois plus massif que le Soleil.
Gaia-BH3 est situé à seulement 2 000 années-lumière de la Terre, ce qui en fait le deuxième trou noir le plus proche jamais découvert de notre planète. Le trou noir le plus proche de la Terre est Gaia-BH1 (également découvert par Gaia), situé à 1 560 années-lumière. Gaia-BH1 a une masse environ 9,6 fois supérieure à celle du Soleil, ce qui le rend nettement plus petit que ce trou noir récemment découvert, rapporte la revue Astronomy & Astrophysics.
Trois trous noirs de masse stellaire dans notre galaxie : (à gauche) Gaia BH1, (au centre) Cygnus X-1 et (à droite) Gaia BH3, dont les masses sont respectivement 10, 21 et 33 fois supérieures à la masse du Soleil. Gaia BH3 est le trou noir de masse stellaire le plus massif découvert à ce jour dans la Voie Lactée. ESO/M. Messager de Korn
Bien entendu, Gaia-BH3 n’est qu’une petite pomme de terre comparée au trou noir supermassif qui domine le cœur de la Voie lactée, Sagittaire A* (Sgr A*), dont la masse est 4,2 millions de fois celle du Soleil. Les trous noirs supermassifs tels que Sgr A* ne sont pas créés par la mort d’étoiles massives, mais plutôt par la fusion de trous noirs de plus en plus grands.
Tous les trous noirs sont marqués par une limite extérieure appelée horizon des événements, où la vitesse de fuite du trou noir dépasse la vitesse de la lumière. Cela signifie que l’horizon des événements est une surface à sens unique qui piége la lumière au-delà de laquelle aucune information ne peut s’échapper.
La région autour du trou noir Gaia-BH3. ESO/Enquête sur le ciel numérisé
En conséquence, les trous noirs n’émettent ni ne réfléchissent la lumière, ce qui signifie qu’ils ne peuvent être « vus » que lorsqu’ils sont entourés par la matière dont ils se nourrissent progressivement. Parfois, cela signifie un trou noir dans un système binaire qui extrait la matière d’une étoile compagnon, formant ainsi un disque de gaz et de poussière autour d’elle.
L’énorme influence gravitationnelle des trous noirs génère d’intenses forces de marée dans la matière environnante, la faisant briller avec un matériau qui est détruit et consommé, émettant également des rayons X. De plus, la matière que le trou noir ne mange pas peut être dirigée vers ses pôles et éjectée sous forme de jets à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, qui s’accompagnent de l’émission de lumière.
Toutes ces émissions lumineuses pourraient permettre aux astronomes de détecter des trous noirs. La question est de savoir comment détecter les trous noirs dormants qui ne sont pas alimentés par le gaz et la poussière qui les entourent? Par exemple, que se passe-t-il si un trou noir de masse stellaire a une étoile compagne, mais qu’elles sont trop éloignées l’une de l’autre pour que le trou noir puisse arracher la matière stellaire à son partenaire binaire?
Schéma montrant les emplacements de trois trous noirs découverts par Gaia. Collaboration ESA/Gaïa
Dans de tels cas, le trou noir et son étoile compagnon gravitent autour d’un point qui représente le centre de masse du système. Cela se produit également lorsque l’étoile est orbitée par un compagnon lumineux, comme une autre étoile ou même une planète.
La rotation du centre de masse provoque une oscillation du mouvement de l’étoile observée par les astronomes. Gaia possédant une vaste expérience dans la mesure précise du mouvement des étoiles, il s’agit d’un outil idéal pour observer cette oscillation.
L’équipe de recherche sur le trou noir de Gaia a commencé à rechercher d’étranges fluctuations qui ne pourraient s’expliquer par la présence d’une autre étoile ou d’une autre planète et qui indiqueraient la présence d’un compagnon plus lourd, peut-être un trou noir.
Alors qu’elle se dirigeait vers une ancienne étoile géante de la constellation de l’Aquila, située à 1 926 années-lumière de la Terre, l’équipe a détecté une oscillation sur la trajectoire de l’étoile. Cette oscillation suggère que l’étoile est bloquée dans un mouvement orbital avec un trou noir dormant d’une masse exceptionnellement élevée. Ils sont séparés par une distance qui varie de la distance entre le Soleil et Neptune à son point le plus large et notre étoile et Jupiter à son point le plus proche. Grâce à la sensibilité de Gaia, le Black Hole Task Force a également pu imposer des contraintes sur la masse de Gaia-BH3, déterminant qu’il possède 33 masses solaires.
Représentation artistique du système contenant le trou noir stellaire le plus massif de notre galaxie. ESO/L. Calçada
“Gaia-BH3 est le tout premier trou noir dont nous avons pu mesurer la masse avec autant de précision”, a déclaré Tsevi Maseh, scientifique et membre de la collaboration Gaia à l’Université de Tel Aviv. «Avec 30 fois la masse de notre Soleil, la masse de l’objet est typique des estimations dont nous disposons pour les masses de trous noirs très éloignés observés dans les expériences sur les ondes gravitationnelles. Les mesures de Gaia fournissent la première preuve concluante que des trous noirs [de masse stellaire] de cette grande masse existent réellement.»
Cependant, le système Gaia-BH3 présentera probablement un grand intérêt pour les scientifiques, non seulement en raison de sa proximité avec la Terre et de la masse de son trou noir.
L’étoile de ce système est une sous-géante environ cinq fois plus grande que le Soleil et 15 fois plus brillante, bien qu’elle soit plus froide et moins dense que notre étoile. L’étoile compagnon Gaia-BH3 est composée principalement d’hydrogène et d’hélium, les deux éléments les plus légers de l’Univers, et manque des éléments plus lourds que les astronomes appellent (de manière quelque peu déroutante) «métaux».
Le fait que cette étoile soit «pauvre en métaux» suggère que l’étoile qui s’est effondrée et est morte pour créer Gaia-BH3 manquait également d’éléments plus lourds. Les étoiles pauvres en métaux devraient perdre plus de masse que leurs homologues riches en métaux au cours de leur vie. Les scientifiques se demandent donc si elles peuvent supporter suffisamment de masse pour donner naissance à des trous noirs. Gaia-BH3 représente le premier indice selon lequel des étoiles pauvres en métaux pourraient réellement faire cela.
“La prochaine version des données de Gaia devrait contenir beaucoup plus d’informations qui devraient nous aider à “voir” davantage la “matrice” et à comprendre comment se forment les trous noirs des étoiles dormantes”, a conclu Seabrock.
Les trous noirs au centre de la Voie lactée (la galaxie natale de la Terre) et d’Andromède (l’un de nos plus proches voisins galactiques) sont parmi les dévoreurs les plus silencieux de l’Univers. Le peu de lumière qu’ils émettent varie implicitement en termes de luminosité, ce qui suggère qu’ils consomment un flux de matière faible mais constant plutôt que de gros amas. Les flux s’approchent du trou noir progressivement et en spirale, tout comme l’eau tourbillonne dans un drain.
À l’aide de modèles informatiques, les auteurs ont simulé le comportement potentiel des gaz et des poussières proches du trou noir supermassif d’Andromède au fil du temps. Des simulations ont montré qu’un petit disque de gaz chaud peut se former à proximité d’un trou noir supermassif et l’alimenter en permanence. Le disque peut être réapprovisionné et entretenu par de nombreux flux de gaz et de poussières.
Cependant, les chercheurs ont également découvert que ces flux doivent rester dans une certaine taille et dans un certain débit; sinon, la matière tomberait dans le trou noir en amas irréguliers, provoquant des fluctuations de lumière encore plus importantes.
Lorsque les auteurs ont comparé leurs résultats avec les données de Spitzer et du télescope spatial Hubble de la NASA, ils ont découvert des spirales de poussière précédemment identifiées par Spitzer qui correspondaient à ces contraintes. Les auteurs en ont conclu que les spirales alimentaient le trou noir supermassif d’Andromède.
Cette vue rapprochée du centre de la galaxie d’Andromède, prise par l’ancien télescope spatial Spitzer de la NASA, est marquée de lignes pointillées bleues soulignant le chemin de deux flux de poussière s’écoulant vers le trou noir supermassif au centre de la galaxie (indiqué par le violet). point). NASA/JPL-Caltech
“C’est un excellent exemple de la façon dont les scientifiques revisitent les données d’archives pour en savoir plus sur la dynamique des galaxies en les comparant avec les dernières simulations informatiques”, a déclaré Almudena Prieto, astrophysicienne à l’Institut d’astrophysique des îles Canaries et à l’Université de Munich. Observatoire et co-auteur de l’étude publiée cette année. «Nous disposons de données datant d’il y a 20 ans qui nous révèlent des choses que nous n’avions pas identifiées lorsque nous les avons collectées pour la première fois.»
Lancé en 2003 et exploité par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Spitzer a étudié l’univers en lumière infrarouge, invisible à l’œil humain. Différentes longueurs d’onde révèlent différentes caractéristiques d’Andromède, notamment des sources de lumière plus chaudes telles que les étoiles et des sources plus froides telles que la poussière.
En séparant ces longueurs d’onde et en observant uniquement la poussière, les astronomes peuvent voir le «squelette» d’une galaxie: les endroits où le gaz s’est condensé et refroidi, formant parfois de la poussière, créant les conditions nécessaires à la formation d’étoiles. Ce regard sur Andromède a révélé quelques surprises. Par exemple, bien qu’il s’agisse d’une galaxie spirale comme la Voie lactée, Andromède est dominée par un grand anneau de poussière plutôt que par des bras individuels entourant son centre. Les images montraient également un trou secondaire dans une partie de l’anneau à travers lequel une galaxie naine était passée.
La proximité d’Andromède avec la Voie lactée signifie que, vue de la Terre, elle apparaît plus grande que les autres galaxies: vue à l’œil nu, Andromède sera environ six fois plus large que la Lune (environ 3 degrés). Même avec un champ de vision plus large que celui de Hubble, Spitzer a dû prendre 11 000 images pour créer une image complète d’Andromède.
Le JPL a géré la mission du télescope spatial Spitzer pour la direction des missions scientifiques de la NASA à Washington jusqu’à ce que la mission soit annulée en janvier 2020. Les opérations scientifiques ont été menées au Spitzer Science Center de Caltech. Les opérations des engins spatiaux étaient basées à Lockheed Martin Space à Littleton, Colorado. Les données sont archivées dans les archives scientifiques infrarouges, gérées par l’IPAC à Caltech. Caltech exploite le JPL pour la NASA.
Une nouvelle étude sur un type de galaxie rare et de courte durée a révélé que certains objets abritent des trous noirs supermassifs dormants qui se réveillent brièvement pour déchirer une étoile massive et consommer ses restes, les transformant en un petit-déjeuner cosmique géant.
Les «objets symétriques compacts» ou CSO sont des galaxies actives qui émettent deux jets de lumière à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ces jets sont typiques des noyaux galactiques actifs (AGN), qui possèdent en leur centre des trous noirs supermassifs qui se nourrissent des gaz et de la poussière environnants, mais les jets CSO sont différents, rapporte The Astrophysical Journal.
Cette image radio montre deux jets éjectés du centre de Cygnus A, une galaxie située à proximité de la nôtre. Un nouvel article rapporte la découverte d’un objet similaire dans une galaxie ancienne beaucoup plus lointaine. Cette galaxie possède un jet brillant et relativiste émanant de son trou noir supermassif central pointé vers la Terre, ce qui en fait un blazar. NRAO
Alors que les jets des noyaux galactiques actifs peuvent s’étendre sur 230 000 années-lumière dans les deux directions, les jets CSO sont petits, s’étendant seulement sur 1 500 années-lumière environ.
Les scientifiques avaient précédemment émis l’hypothèse que les jets CSO étaient courts parce qu’ils étaient nouvellement formés ou jeunes. Aujourd’hui, une équipe dirigée par des scientifiques du California Institute of Technology (Caltech) a déterminé que ces jets ont simplement une courte durée de vie.
«Ces OSC ne sont pas jeunes. On ne qualifierait pas de jeune un chien de 12 ans, même s’il vivait moins qu’un humain adulte», a déclaré Anthony Readhead, chef de l’équipe de recherche et professeur émérite d’astronomie au California Institute of Technology, dans un communiqué. “Ces objets représentent une espèce distincte qui vit et meurt sur des milliers d’années, plutôt que sur des millions d’années, comme c’est généralement le cas dans les galaxies dotées de jets plus gros.”
Image VLBA de deux trous noirs supermassifs, dont l’un est un objet symétrique compact (CSO) J0405+3803a, engloutissant une étoile. HL Maness/Grinnell College
Pour percer le mystère des CSO et révéler leur véritable nature, Readhead et ses collègues ont passé deux ans à étudier 3 000 candidats CSO dans la littérature antérieure et les données astronomiques obtenues à partir du Very Long Baseline Array (VLBA) et d’autres radiotélescopes à haute résolution.
“Les observations VLBA sont les plus détaillées en astronomie, fournissant des images avec des détails équivalents à la mesure de la largeur d’un cheveu humain à une distance de 100 miles [160 kilomètres]”, a déclaré Reedhead.
L’équipe a confirmé que 64 de ces candidats sont des CSO et a également découvert 15 autres galaxies rares. En analysant ces CSO, l’équipe a conclu que ces types rares de galaxies émettent des jets pendant seulement 5 000 ans ou moins, puis disparaissent.
Vue d’artiste d’une étoile (au premier plan) détruite lors de son passage à proximité d’un trou noir supermassif. ESO/M. Messager de Korn
“Les jets CSO sont des jets très énergiques, mais ils semblent s’arrêter”, a déclaré Vikram Ravi, membre de l’équipe et professeur adjoint à Caltech. “Les ruisseaux cessent de couler de la source.”
L’équipe a identifié un suspect derrière les jets: ils suggèrent qu’au cœur des CSO se trouvent des trous noirs supermassifs qui déchirent les étoiles qui s’approchent trop d’eux lors de ce que l’on appelle les événements de perturbation des marées (TDE).
Lorsque les étoiles s’approchent trop près d’un trou noir, son énorme gravité crée de puissantes forces de marée au sein du corps stellaire. Ces forces de marée étirent l’étoile verticalement tout en la comprimant horizontalement, un processus appelé «spaghétification».
Un trou noir supermassif déchire et dévore une étoile. Encadré : Une image du Very Long Baseline Array montre deux trous noirs supermassifs au centre des galaxies, celui de droite venant de manger une étoile. ESA/C. Carreau. Insérer: HL MANESS/GRINNELL COLLEGE
Cette nouille stellaire s’enroule pour former un disque de matière qui est progressivement mangé par le trou noir supermassif. Mais les trous noirs sont des mangeurs désordonnés, et une partie de cette matière stellaire est canalisée vers les pôles de ces monstres cosmiques. De là, une partie du matériau est projetée sous forme de jets. Ce processus TDE s’accompagne d’éclats de lumière incroyablement brillants qui indiquent aux astronomes que ces trous noirs supermassifs les nourrissent.
“Nous pensons qu’une étoile est déchirée, puis toute cette énergie est dirigée vers des jets le long de l’axe autour duquel tourne le trou noir”, a expliqué Reedhead. «Le trou noir géant nous est invisible au début, puis quand il avale l’étoile, bam! Le trou noir contient du carburant et nous pouvons le voir.”
Cependant, toutes les étoiles ne peuvent pas être le genre de nourriture spatiale sale qui réveille un trou noir comme CSO. L’équipe pense que le CSO n’est créé que lorsqu’une étoile véritablement massive est déchirée par un trou noir supermassif dans le TDE.
“Les TDE que nous avons vus auparavant n’ont duré que quelques années”, a expliqué Ravi. “Nous pensons que les remarquables TDE qui alimentent les CSO durent beaucoup plus longtemps parce que les étoiles détruites sont de très grande taille, très massives, ou les deux.”
Reedhead et ses collègues ont également pu créer un «album de famille cosmique» montrant comment les CSO et leurs jets ont évolué au fil du temps. Les CSO plus jeunes ont des jets plus courts et sont plus proches du trou noir supermassif central, tandis que les CSO plus âgés ont des jets plus longs et s’étendent plus loin du site TDE.
L’équipe a déterminé que même si la grande majorité des CSO disparaîtront, 1 % d’entre eux connaîtront des événements de longue durée avec des jets étendus similaires à ceux observés à Cygnus A, un trou noir supermassif lointain dont les jets sont dirigés vers la Terre ( une classe d’objets appelés blazars).
Les chercheurs estiment que dans 1 événement de longue durée sur 100, le trou noir central est alimenté par des gaz et des poussières supplémentaires résultant de la fusion de sa galaxie mère avec une autre.
Pour Reedhead, ces résultats confortent une théorie qu’il a avancée pour la première fois dans les années 1990, lorsque seulement trois CSO ont été découverts. Cette idée est restée largement méconnue de la communauté scientifique au sens large lorsqu’elle a été proposée pour la première fois, mais elle devrait être soutenue par ces nouvelles preuves.
“Cette hypothèse a été presque oubliée car des années se sont écoulées avant que les preuves observationnelles ne commencent à s’accumuler en faveur du TDE”, a déclaré Readhead. “Ces objets représentent véritablement une population distincte avec ses propres origines, et nous devons maintenant en apprendre davantage sur eux et comment ils sont nés.”
“La capacité d’étudier ces objets sur des échelles de temps allant de plusieurs années à plusieurs décennies plutôt que de millions d’années a ouvert la porte à un tout nouveau laboratoire pour étudier les trous noirs supermassifs et les nombreuses surprises inattendues et imprévisibles qu’ils réservent.”